CN116598396A - 发光二极管外延片及其制备方法、led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法、LED，所述发光二极管外延片包括包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P‑GaN/GaN超晶格层，所述P‑GaN/GaN超晶格层包括交替层叠的P‑GaN层和GaN层。本发明提供的发光二极管外延片能够改善GaN基发光二极管P型GaN空穴浓度不高和空穴注入效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、LED。
背景技术
GaN作为第三代半导体材料具有大禁带宽度、电子饱和速率高、介电常数小、导热性能好等的优点，在半导体技术中受到广泛应用。然而在半导体器件应用过程中能够充分发挥其电学特性和光学特性的首要条件就是要得到有效的N型掺杂和P型掺杂。本征半导体材料GaN的背景载流子浓度非常高，因此呈现出N型导电性，使得P型掺杂难度升高；另一方面受主的激活效率非常低，导致空穴的浓度也相对较低；再者受主原子在掺杂过程中容易与高浓度的H原子反应生成中性络合物，使受主元素的深能级属性加强，提高了受主元素的离化能，导致掺杂效率降低。除了P型掺杂效率低之外，另一个影响半导体器件光电性能的因素是空穴注入至量子阱区的效率低，主要原因为空穴有效质量大迁移速率慢，电子迁移速率相对更高，为了减少电子溢流至P型GaN区域，通常会在量子阱后插入一层AlGaN电子阻挡层，由于量子阱与AlGaN电子阻挡层之间存在强的极化电场，导致能带弯曲，形成了阻碍空穴向量子阱区域注入的势垒，最终影响空穴与电子复合效率。综上，P型掺杂效率和空穴注入至发光区的效率一直是制约GaN基发光二极管应用与发展的突出难点。
先前的技术方案，通过提高P-GaN层Mg掺杂浓度或者对P型半导体层进行高温退火打断Mg-H键来提升空穴浓度；另一种常用到的方案是通过电子阻挡层中掺Mg或者Al元素的渐变掺杂来降低空穴势垒高度。
但是，在GaN材料中Mg的溶解度存在一个极限值，过高的Mg掺杂不但不能增加有效空穴数量，而且会产生MgxNy杂质影响晶体质量；高温退火过程容易产生Mg杂质，Mg杂质扩散至量子阱区造成非辐射复合，最终影响有效复合效率；含Al渐变掺杂的电子阻挡层虽然能降低空穴势垒高度，但空穴隧穿至量子阱区仍然需要很大的能量，最终影响工作电压。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管外延片，其能够改善GaN基发光二极管P型GaN空穴浓度不高和空穴注入效率低的问题。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种发光二极管外延片的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得发光效率良好的发光二极管外延片。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括交替层叠的P-GaN层和GaN层。
在一种实施方式中，所述二维InN层的侧壁生长厚度大于C面生长厚度；
所述二维InN层的厚度为2nm～20nm；
所述二维InN层的In组分含量为0.01～0.05。
在一种实施方式中，所述三维P型InAlGaN层的侧壁生长厚度小于C面生长厚度；
所述三维P型InAlGaN层的厚度为2nm～50nm；
所述三维P型InAlGaN层的掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1019atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述三维P型InAlGaN层的In组分含量沿生长方向从0.01～0.1逐渐递增至0.1～0.2；
所述三维P型InAlGaN层的Al组分含量沿生长方向从0.1～0.2逐渐递减至0.01～0.1。
在一种实施方式中，所述P-GaN/GaN超晶格层包括交替层叠的P-GaN层和GaN层，周期数为5～20；
所述P-GaN/GaN超晶格层的厚度为5nm～100nm；
所述P-GaN层的P型掺杂浓度为1×1019atoms/cm3～1×1020atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述二维InN层的生长温度为880℃～1000℃；
所述三维P型InAlGaN层的生长温度为800℃～900℃；
所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述P-GaN层的生长温度为800℃～900℃；
所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述GaN层的生长温度为900℃～1000℃。
在一种实施方式中，所述二维InN层的生长气氛为N2、H2和NH3混合气体；
所述三维P型InAlGaN层的生长气氛为N2和NH3混合气体；
所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述P-GaN层的生长气氛为N2、H2和NH3混合气体；
所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述GaN层的生长气氛为N2和NH3混合气体。
在一种实施方式中，所述二维InN层的生长压力为100torr～150torr；
所述三维P型InAlGaN层的生长压力为200torr～500torr；
所述P-GaN/GaN超晶格层的生长压力为100torr～200torr。
相应地，本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括交替层叠的P-GaN层和GaN层。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的发光二极管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的发光二极管外延片，其具有特定结构的P型半导体层，所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括交替层叠的P-GaN层和GaN层。
本发明利用外延表面含有V型坑的特征，通过生长二维InN层和三维P型InAlGaN层分别在V型侧壁和C面平台形成含有不同势垒差和电压差的空穴传输路径，促进空穴从V型侧壁注入至量子阱区，提升空穴分布，最终提升空穴注入效率。所述P-GaN/GaN超晶格层能够提供足够的空穴来源，从而进一步提升Mg掺杂效率。
附图说明
图1为本发明提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图2为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图3为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的步骤S2的流程图。
其中：衬底1、缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型半导体层7、二维InN层71、三维P型InAlGaN层72和P-GaN/GaN超晶格层73。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
为解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，如图1所示，包括衬底1及依次层叠于所述衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型半导体层7；
所述P型半导体层7包括依次层叠于所述电子阻挡层6上的二维InN层71、三维P型InAlGaN层72和P-GaN/GaN超晶格层73，所述P-GaN/GaN超晶格层73包括交替层叠的P-GaN层和GaN层。
在一种实施方式中，所述二维InN层71的侧壁生长厚度大于C面生长厚度；所述二维InN层71的厚度为2nm～20nm；In组分含量为0.01～0.05。所述二维InN层的生长温度为880℃～1000℃；生长气氛为N2、H2和NH3混合气体；生长压力为100torr～150torr。
本发明通过控制所述二维InN层的生长温度、生长压力和生长气氛，使其在V型侧壁生长厚度大于C面生长厚度，通过增大二维InN的侧壁厚度来缓解侧壁InGaN量子阱层的压应力，降低侧壁极化电场强度，减少侧壁的能带弯曲，进而降低侧壁空穴注入势垒。
在一种实施方式中，所述三维P型InAlGaN层72的侧壁生长厚度小于C面生长厚度；所述三维P型InAlGaN层72的厚度为2nm～50nm；掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1019atoms/cm3；所述三维P型InAlGaN层72的In组分含量沿生长方向从0.01～0.1逐渐递增至0.1～0.2，Al组分含量沿生长方向从0.1～0.2逐渐递减至0.01～0.1。本发明通过控制所述三维P型InAlGaN层中Al组分沿着生长方向逐渐降低可以进一步降低空穴势垒高度，In组分沿着生长方向逐渐升高可以降低Mg的激活能，进而提升P型掺杂效率，提升空穴浓度。
在一种实施方式中，所述三维P型InAlGaN层72的生长温度为800℃～900℃；生长气氛为N2和NH3混合气体；生长压力为200torr～500torr。
本发明通过控制所述三维P型InAlGaN层的生长温度、生长压力和生长气氛，使其在V型侧壁的生长厚度小于C面生长厚度，薄的V型侧壁电压相比厚的C面电压更低，形成了一定电压差，补偿了侧壁薄InGaN量子阱的高势垒与C面厚InGaN量子阱的低势垒形成的势垒差，进而诱导空穴从侧壁注入至量子阱区域。并且上述三维P型InAlGaN层的生长温度低于所述二维InN层和所述P-GaN/GaN超晶格层，可以有效降抑制所述P-GaN/GaN超晶格层在P型掺杂时的Mg杂质扩散至量子阱层导致发光效率低的问题。
在一种实施方式中，所述P-GaN/GaN超晶格层73包括交替层叠的P-GaN层和GaN层，周期数为5～20；所述P-GaN/GaN超晶格层73的厚度为5nm～100nm；所述P-GaN层的P型掺杂浓度为1×1019atoms/cm3～1×1020atoms/cm3；所述P-GaN/GaN超晶格层73的生长压力为100torr～200torr；所述P-GaN层的生长温度为800℃～900℃；所述GaN层的生长温度为900℃～1000℃；所述P-GaN层的生长气氛为N2、H2和NH3混合气体；所述GaN层的生长气氛为N2和NH3混合气体。
所述P-GaN/GaN超晶格层通过间隔掺杂和交替升降温的方式生长，一方面保持了Mg的高浓度掺杂提供足够的空穴来源，另一方面减少Mg掺杂过多而带来的杂质问题，同时提升该空穴提供层的晶体质量。所述P-GaN层生长通入H2并且生长压力控制在100torr～200torr可以促进原子横向迁移速率，使所述P-GaN层沿V型侧壁生长更强烈，进而提升V型侧壁的Mg掺杂效率。所述GaN层不通H2，且温度相对更高，可以有效打断Mg-H键，进一步提升Mg掺杂效率。
综上，本发明提供的具有特定非掺杂GaN层结构的发光二极管外延片，其利用外延表面含有V型坑的特征，通过生长二维InN层和三维P型InAlGaN层分别在V型侧壁和C面平台形成含有不同势垒差和电压差的空穴传输路径，促进空穴从V型侧壁注入至量子阱区，提升空穴分布，最终提升空穴注入效率，改善了GaN基发光二极管P型GaN空穴浓度不高和空穴注入效率低的问题。所述P-GaN/GaN超晶格层能够提供足够的空穴来源，从而进一步提升Mg掺杂效率。
相应地，本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、准备衬底1；
在一种实施方式中，所述衬底选用蓝宝石衬底；蓝宝石是目前最常用的衬底材料，蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性。
S2、在所述衬底1上依次沉积缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型半导体层7。
在一种实施方式中，如图3所示，步骤S2包括以下步骤：
S21、在衬底1上沉积缓冲层2。
优选地，选用在应用材料PVD中沉积AlN缓冲层，其厚度为10nm～20nm，采用AlN缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了GaN和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长。
S22、在缓冲层2上沉积非掺杂GaN层3。
优选地，非掺杂的GaN层的生长温度为1000℃～1200℃，压力为100torr～400torr，厚度为1μm～5μm。
S23、在非掺杂GaN层3沉积N型GaN层4。
优选地，N型GaN层生长温度为1050℃～1200℃，压力为100torr～600torr，厚度为2μm～3μm，Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3～5×1019atoms/cm3。N型GaN层为LED发光提供充足电子，N型GaN层的电阻率要比GaN层上的透明电极的电阻率高，因此足够的Si掺杂，可以有效的降低N型GaN层电阻率，另外N型GaN层具有足够的厚度可以有效释放应力发光二极管的发光效率。
S24、在N型GaN层4上生长多量子阱层5。
优选地，多量子阱层为交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，堆叠周期数5～20个，其中所述InGaN量子阱层的生长温度为790℃～810℃，厚度为2nm～5nm，生长压力为50torr～300torr；所述AlGaN量子垒层的生长温度为800℃～900℃，厚度为5nm～15nm，生长压力为100torr～300torr，Al组分含量为0.01～0.1。多量子阱层为电子和空穴复合的区域，合理的结构设计可以显著增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高LED器件发光效率。
S25、在多量子阱层5上生长电子阻挡层6。
优选地，所述电子阻挡层为AlGaN层，其厚度为10nm～50nm，其中Al组分浓度延外延层生长方向由0.1渐变至0.005，In组分浓度为0.01～0.02，生长温度为900℃～1000℃，生长压力为100torr～300torr；这样既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。
S26、在电子阻挡层6上生长P型半导体层7。
优选地，所述二维InN层的生长温度为880℃～1000℃；所述三维P型InAlGaN层的生长温度为800℃～900℃；所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述P-GaN层的生长温度为800℃～900℃；所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述GaN层的生长温度为900℃～1000℃。
优选地，所述二维InN层的生长气氛为N2、H2和NH3混合气体；所述三维P型InAlGaN层的生长气氛为N2和NH3混合气体；所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述P-GaN层的生长气氛为N2、H2和NH3混合气体；所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述GaN层的生长气氛为N2和NH3混合气体。
优选地，所述二维InN层的生长压力为100torr～150torr；所述三维P型InAlGaN层的生长压力为200torr～500torr；所述P-GaN/GaN超晶格层的生长压力为100torr～200torr。所述P型半导体层的具体结构如上文所述，此处不再赘述。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的发光二极管外延片。所述LED的光电效率得到有效提升，且其他项电学性能良好。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括10个周期的交替层叠的P-GaN层和GaN层。
所述二维InN层的厚度为12nm，生长温度为900℃，生长压力为100torr；
所述三维P型InAlGaN层的厚度为25nm，生长温度为840℃，生长压力为200torr；
所述P-GaN层的总厚度为40nm，生长温度为880℃，生长压力为150torr；
所述GaN层的总厚度为30nm，生长温度为950℃，生长压力为150torr。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括10个周期的交替层叠的P-GaN层和GaN层。
所述二维InN层的厚度为20nm，生长温度为920℃，生长压力为150torr；
所述三维P型InAlGaN层的厚度为25nm，生长温度为840℃，生长压力为200torr；
所述P-GaN层的总厚度为40nm，生长温度为880℃，生长压力为150torr；
所述GaN层的总厚度为30nm，生长温度为950℃，生长压力为150torr。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括10个周期的交替层叠的P-GaN层和GaN层。
所述二维InN层的厚度为12nm，生长温度为900℃，生长压力为100torr；
所述三维P型InAlGaN层的厚度为25nm，生长温度为860℃，生长压力为250torr；
所述P-GaN层的总厚度为50nm，生长温度为880℃，生长压力为150torr；
所述GaN层的总厚度为20nm，生长温度为950℃，生长压力为150torr。
实施例4
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括10个周期的交替层叠的P-GaN层和GaN层。
所述二维InN层的厚度为12nm，生长温度为900℃，生长压力为100torr；
所述三维P型InAlGaN层的厚度为50nm，生长温度为840℃，生长压力为100torr；
所述P-GaN层的总厚度为40nm，生长温度为880℃，生长压力为100torr；
所述GaN层的总厚度为30nm，生长温度为980℃，生长压力为150torr。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于，所述P型半导体层为常规的P型GaN层，其余皆与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1不同之处在于，所述P型半导体层中不含有二维InN层，其余皆与实施例1相同。
对比例3
本对比例与实施例1不同之处在于，所述P型半导体层中不含有三维P型InAlGaN层，其余皆与实施例1相同。
对比例4
本对比例与实施例1不同之处在于，所述P型半导体层中不含有P-GaN/GaN超晶格层，其余皆与实施例1相同。
以实施例1～实施例4和对比例1～对比例4制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成10×24mil的芯片，分别抽取300颗LED芯片，在120mA/60mA电流下测试芯片的光电性能，计算实施例1～实施例4和对比例2～对比例4相对于对比例1的光效提升率，具体测试结果如表1所示。
表1实施例1～实施例4和对比例2～对比例4制得LED的性能测试结果
由上述结果可知，本发明提供的发光二极管外延片，利用外延表面含有V型坑的特征，通过生长二维InN层和三维P型InAlGaN层分别在V型侧壁和C面平台形成含有不同势垒差和电压差的空穴传输路径，促进空穴从V型侧壁注入至量子阱区，提升空穴分布，最终提升空穴注入效率。所述P-GaN/GaN超晶格层能够提供足够的空穴来源，从而进一步提升Mg掺杂效率。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括交替层叠的P-GaN层和GaN层。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述二维InN层的侧壁生长厚度大于C面生长厚度；
所述二维InN层的厚度为2nm～20nm；
所述二维InN层的In组分含量为0.01～0.05。
3.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述三维P型InAlGaN层的侧壁生长厚度小于C面生长厚度；
所述三维P型InAlGaN层的厚度为2nm～50nm；
所述三维P型InAlGaN层的掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1019atoms/cm3。
4.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述三维P型InAlGaN层的In组分含量沿生长方向从0.01～0.1逐渐递增至0.1～0.2；
所述三维P型InAlGaN层的Al组分含量沿生长方向从0.1～0.2逐渐递减至0.01～0.1。
5.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述P-GaN/GaN超晶格层包括交替层叠的P-GaN层和GaN层，周期数为5～20；
所述P-GaN/GaN超晶格层的厚度为5nm～100nm；
所述P-GaN层的P型掺杂浓度为1×1019atoms/cm3～1×1020atoms/cm3。
6.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述二维InN层的生长温度为880℃～1000℃；
所述三维P型InAlGaN层的生长温度为800℃～900℃；
所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述P-GaN层的生长温度为800℃～900℃；
所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述GaN层的生长温度为900℃～1000℃。
7.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述二维InN层的生长气氛为N2、H2和NH3混合气体；
所述三维P型InAlGaN层的生长气氛为N2和NH3混合气体；
所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述P-GaN层的生长气氛为N2、H2和NH3混合气体；
所述P-GaN/GaN超晶格层中，所述GaN层的生长气氛为N2和NH3混合气体。
8.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述二维InN层的生长压力为100torr～150torr；
所述三维P型InAlGaN层的生长压力为200torr～500torr；
所述P-GaN/GaN超晶格层的生长压力为100torr～200torr。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述P型半导体层包括依次层叠于所述电子阻挡层上的二维InN层、三维P型InAlGaN层和P-GaN/GaN超晶格层，所述P-GaN/GaN超晶格层包括交替层叠的P-GaN层和GaN层。
10.一种LED，其特征在于，所述LED包括如权利要求1～8任一项所述的发光二极管外延片。
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